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1、自 然 科 学 基 础 知 识第五单元物质结构与能量守恒Contents模块二原子的核式结构和核能的利用模块二原子的核式结构和核能的利用模块一能量守恒和分子运动模块一能量守恒和分子运动【学习目标】1掌握功、功率、功和能的关系，动能、势能及其相互转换，机械能守恒定律2理解分子的大小、质量，分子的热运动，分子间的作用力，内能3了解原子核式结构，天然放射现象、衰变、半衰期，放射性的应用、污染和防护4了解核反应，裂变和聚变，核电站模块一能量守恒和分子运动模块一能量守恒和分子运动过山车，又称为云霄飞车（图5-1），是一种机动游乐设施，常见于游乐园和主题乐园中。拉马库斯阿德纳汤普森是第一个注册过山车相关专
2、利技术的人（1865年1月20日），并曾制造过十多个过山车设施，被誉为“重力之父”。一个基本的过山车构造中，包含了爬升、滑落、倒转，其轨道的设计不一定是一个完整的回圈，也可以设计车体在轨道上的运行方式为来回移动。大部分过山车的每个乘坐车厢可容纳2人、4人或6人，这些车厢利用钩子相互连结起来，就像火车一样。事实聚焦过山车课题一机械能一、功当一个物体受到力的作用并在力的方向上发生一段位移，我们就说这个力对物体做了功。作用在物体上的力、物体在力的方向上发生的位移，是做功的两个必要因素。功等于力的大小和物体在力的方向上发生的位移大小的乘积。用W表示功，F表示力，s表示位移（图5-2（a），则有W=Fs
3、当力的方向与位移方向成某一角度时（图5-2（b），把力分解为与位移方向垂直和平行的两个分力。其中与位移方向垂直的分力所做的功等于零（F2方向的位移为零）；而水平分力F1所做的功就等于F所做的功，即W=F1s=Fscos公式表明：力对物体所做的功，等于力的大小、位移的大小、力和位移之间夹角的余弦三者的乘积。功是标量，只有大小没有方向。功的单位是焦耳，简称焦，用符号J表示。1J的功等于1N的力使物体在力的方向上发生了1m的位移时所做的功，即1J=1N1m=1Nm图5-2（b）图5-2（a）二、功率二、功率用功率表示做功的快慢。用W表示功，用t表示完成功所用的时间，则功率P为P=W/t在国际单位制中
4、，功率的单位是瓦特，简称瓦，用符号W表示，1W=1J/s。功率的单位还有千瓦（kW），1kW=1000W。功率也可以用力和速度的乘积表示，将W=Fs代入P=W/t，由于v=s/t，所以P=Fv二、功率二、功率例题一辆质量为2000kg的汽车，从静止出发在平直的公路上行驶，若发电机的牵引力始终为3000N，运动中受到的阻力始终为600N，求：（1）5s内牵引力做的功；（2）5s内阻力所做的功；（3）5s末发电机的瞬时功率。解根据牛顿第二定律得a=F-Fm=(3000-600)/2000m/s2=1.2m/s2汽车做匀加速直线运动，在5s内通过的位移s=1/2at2=121.252=15m（1）5
5、s内牵引力做的功WF=Fs=300015=4.5104J（2）5s内阻力做的功WF=Fscos180=60015(-1)=-9103J即汽车克服阻力做了9103J的功。（3）汽车在5s末的瞬时速度v=at=1.25=6m/s汽车的牵引力在5s末的瞬时功率P=Fv=30006=1.8104W=18kW对于汽车、火车等交通工具，当发动机的功率一定时，牵引力F与速度v成反比，增大牵引力就要减小速度，反之增加速度牵引力就减小。汽车、火车上坡时，司机就用换低速挡的办法减小速度，得到较大的牵引力。三、功和能自然界中存在着各种形式的能，如机械能（动能和势能）、内能、电能、磁能、光能、化学能、核能。各种形式的
6、能可以相互转换，功和能联系得非常紧密。一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量。不同形式能的转换都是通过做功来实现的，所以，功在能的转换过程中起着非常重要的作用。起重机吊起物体，对其做功的同时消耗了柴油的化学能，物体获得了重力势能。脚踢足球，足球在空中飞行。你对足球做功的同时消耗了体内的化学能，足球获得了动能和重力势能，并且力量越大，足球获得动能和重力势能越多，消耗体内的化学能也越多。做功的过程就是能量转换的过程，做了多少功，就有多少能量发生了转换。功就是能量转换的度量。四、动能和势能1动能。在光滑水平面上的一个质量为m的静止物体，在水平方向的恒力F的作用下开始运动，经过一段位移s，撤去
7、外力F，物体获得的动能Ek=Fs，代入运动学公式v2=2as（a为加速度，初始速度为0）和牛顿第二定律F=ma，可得Ek=Fs=mav2/2a=12mv2上式说明，物体的动能是它的质量与速度平方乘积的一半，合外力对物体做的功等于物体动能的改变量，这个结论称为动能定理。2重力势能物体因重力而具有的能量叫做重力势能。例如，打桩时，铁锤从高处落下而做功，水力发电利用高处水下落而做功。根据功和能的关系，我们可以计算某一高度上物体重力势能的大小。将物体举高h，克服重力势能做的功为W=mgh。物体的重力势能Ep为Ep=mgh动能和势能都是标量，在国际单位制中，它们的单位与功的单位相同，都是焦耳我们说物体具
8、有重力势能mgh，这总是相对于某个水平面，这个水平面的高度为零，重力势能也为零。这个水平面叫做参考平面。3 弹性势能发生形变的物体，在恢复原状时能够对外界做功，因而具有能量，这种能量叫做弹性势能。卷紧的发条、被拉伸或压缩的弹簧、拉弯的弓、击球时的网球拍或羽毛球拍、支撑运动员上跳的撑杆等，都具有弹性势能。弹性势能跟形变的大小有关。五、机械能守恒定律动能和能和势能能统称机械能，称机械能，动能和能和势能之能之间可以相互可以相互转换。例如，竖直上抛一石块，石块以一例如，竖直上抛一石块，石块以一定的初速度竖直向上运动，石块上升的高度逐渐升高，速度越来越小。高度增加，重力势能定的初速度竖直向上运动，石块上
9、升的高度逐渐升高，速度越来越小。高度增加，重力势能增加，速度减小，动能减小。石块的动能逐渐转换成重力势能。当到达最高点时，石块的速增加，速度减小，动能减小。石块的动能逐渐转换成重力势能。当到达最高点时，石块的速度为零，高度最高，重力势能最大，动能全部转换成重力势能（忽略空气阻力做功）。同样，度为零，高度最高，重力势能最大，动能全部转换成重力势能（忽略空气阻力做功）。同样，在石块自由下落时，高度逐渐降低，速度逐渐增大。在石块自由下落时，高度逐渐降低，速度逐渐增大。在在这一一过程中重力程中重力势能逐能逐渐转换为动能。能。如大型游乐园中的过山车。过山车的小列车是依靠一个机械装置的推力被推上最高点的，
10、当过山车开始下降时，它的重力势能不断减少（因为高度下降了），但它不会消失，而是转化成了动能，速度变快。当到达弯道的最低点时速度最大，而后又逐渐升高速度变慢，动能转化为重力势能。不过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩擦产生了热量，从而损耗了少量的机械能（动能和重力势能）。这就是为什么在随后的小山丘比开始时的小山丘低一些。人造卫星绕地球沿椭圆轨道运行时，它的位置离地球有时近、有时远。我国发射的第一颗人造卫星，它离地球最近时（此处叫近地点）离地面439 km，离地球最远时（此处叫远地点）离地面高度是2384 km，它绕地球一周的时间是114 min。它在近地点时，速度最大，动能最大，此
11、时离地面最近，重力势能最小。卫星由近地点向远地点运行时动能减小，重力势能增大，动能向重力势能转化。到达远地点时，动能最小，重力势能最大。卫星由远地点向近地点运行时，重力势能向动能转化。在卫星运行过程中，动能和势能不断地相互转化。在只有重力做功的情况下（即没有其他外力），物体的在只有重力做功的情况下（即没有其他外力），物体的动能和重力能和重力势能之能之间虽然可然可以相互以相互转化，但是机械能的化，但是机械能的总量保持不量保持不变，这就是机械能守恒定律。就是机械能守恒定律。课题二分子的运动 内能一、分子的大小和质量1分子的大小分子非常小，不但用肉眼看不到，就是用光学显微镜也看不到。1981年发明了
12、扫描隧道显微镜，用它能观察到物质表面的分子（图5-3所示为苯分子）。除了一些有机物的大分子，一般分子的直径的数量级都是10-10m。2阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数指1mol任何物质（可以是分子、原子、离子、电子等）所含的微粒的数目。阿伏伽德罗常数用NA表示，即NA=6.02213671023mol-1阿伏伽德罗常数一般取值为NA=6.021023mol-13分子的质量有了阿伏伽德罗常数，我们很容易算出分子的质量。例如，水的摩尔质量是1.810-2kgmol-1，按照1mol水中含有61023个分子，则水分子的质量是图图5-3二、分子热运动1 扩散现象扩散现象无无论是气体分子、液是气体分子、液体
13、分子体分子还是固体分子是固体分子都在运都在运动着，着，扩散散现象在气体之象在气体之间、液体、液体之之间和固体之和固体之间都在都在发生。生。2 布朗运动布朗运动1827年英国植物学家布朗年英国植物学家布朗（17731858）用）用显微微镜观察察悬浮的浮的花粉花粉时发现，花粉微粒在不停地做无，花粉微粒在不停地做无规则运运动。后来把。后来把悬浮微粒的浮微粒的这种运种运动叫做布朗运叫做布朗运动。液体液体实际上是由无数分子上是由无数分子组成，液体成，液体分子不停地做无分子不停地做无规则运运动，不断地撞，不断地撞击微粒（微粒（图5-5）。）。液体分子永不停息的无液体分子永不停息的无规则运运动是是产生布朗运
14、生布朗运动的原因。的原因。3 热运动热运动在在扩散散现象中象中发现，温度，温度越高，越高，扩散散进行得越快。行得越快。布朗运布朗运动随着温度的升高随着温度的升高而越加激烈。而越加激烈。这表示分子表示分子的无的无规则运运动与温度的高与温度的高低有关系，温度越高，分低有关系，温度越高，分子的无子的无规则运运动就越激烈。就越激烈。图图5-5三、分子间的作用力物体都是由分子组成的，而且分子之间有空隙。扩散现象和布朗运动不但说明分子不停地做无规则运动，同时也说明分子间是有空隙的，否则分子不能运动。分子间的引力和斥力是同时存在的，不是只有引力或斥力，分子力是引力和斥力的合力。当分子间的距离较大时，分子间的
15、相互作用表现为引力；而分子间的距离较小时，相互作用表现为斥力。分子是由原子构成的，原子内部是带正电的原子核和带负电的电子，分子间这样复杂的作用力就是由这些带电粒子的相互作用引起的。四、物体的内能热量1分子的动能温度分子不停地做无规则运动，做热运动的分子具有动能。温度升高，物体分子的热运动加剧，分子热运动的平均动能增加；温度降低，物体分子的热运动减缓，分子热运动的平均动能减少。温度是物体分子热运动的平均动能的标志。2分子势能分子间有引力和斥力，分子之间也有势能，分子之间的势能叫做分子势能。物体的体积发生变化时，分子间的距离也发生变化，分子势能随之变化，可见分子势能跟物体的体积有关系。3物体的内能
16、物体里所有分子的动能和势能的总和叫做物体的内能。由于分子热运动的平均动能与温度、分子势能和体积有关，因此，物体的内能与物体的温度和体积也有关系。4改变内能的方式改变物体的内能可以通过热传递和做功。虽然这两种方式都可以改变物体的内能，但是它们有本质的区别。热传递是物体内能的转移，做功是其他形式的能转化为内能。热传递和做功是等效的。课题三能量守恒定律历史上有不少人希望设计一种机器，这种机器不需要消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器被称为永动机（图5-6）。你相信有这样的机器吗？大量的事实证明：各种形式的能都可以相互转换，并且在转换过程中守恒。能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从
17、一种形式转化为别的形式，或从一个物体转移到别的物体，在能量的转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。能量守恒定律让我们认识到“永动机”是不能制造成功的。图图5-6模块二原子的核式结构和核能的利用事实聚焦德谟克利特与原子论德谟克利特在自然科学上最重要的贡献，是他继承和发展了留基伯的原子论，为现代原子科学的发展奠定了基石。原子是非常小的，不但肉眼看不到，就是用显微镜也看不到。那么在两千年前，原子论是怎么提出来的呢？其实上古时代的原子论不是科学理论，它只是一种哲学的推测。留基伯是古希腊爱奥尼亚学派中的著名学者，他首先提出物质构成的原子学说，认为原子是最小的、不可分割的物质粒子。原子之间存在
18、着虚空，无数原子从古以来就存在于虚空之中，既不能创生，也不能毁灭，它们在无限的虚空中运动着构成万物。德谟克利特是留基伯的学生，他继承并发展了留基伯的原子学说，指出宇宙空间中除了原子和虚空，什么都没有。原子一直存在于宇宙之中，它们不能被创生，也不能被消灭，任何变化都是它们引起的结合和分离。原子在数量上是无限的，在形式上是多样的。在原子的下落运动中，较快和较大的撞击着较小的，产生侧向运动和旋转运动，从而形成万物并发生着变化。一切物体的不同，都是由于构成它们的原子在数量、形状和排列上的不同造成的。原子在本质上是相同的，它们没有“内部形态”，它们之间的作用通过碰撞挤压而传递。德谟克利特发展了留基伯的学
19、说，他的原子论后来又被伊壁鸠鲁和克莱修所继承，再后来被道尔顿所发展，从而形成了近代的科学原子论。但是，他在继承留基伯的原子说时，也延续了留基伯原子不可分的思想，从而留下了永久的遗憾。课题一原子的核式结构 衰变一、原子的核式结构模型19091911年，英国物理学家卢瑟福（18711937）和他的助手们进行了粒子散射的实验。用射线照射金箔，由于金原子中的带电微粒对粒子有库仑力的作用，一些粒子穿过金箔后会改变原来的运动方向，这个现象叫做粒子的散射，卢瑟福精确统计了向各个方向散射的粒子的数目，在此基础上提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中
20、在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动。按照卢瑟福的核式结构模型，原子内部是十分“空旷”的，研究表明，原子直径的数量级为10-10m，而原子核直径的数量级为10-15m，二者相差十万倍。原子的核式结构模型与宇宙行星模型十分相似。课题一原子的核式结构 衰变二、原子核的组成原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。中子不带电，原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总和。由于原子核所带的电荷都是质子电荷的整数倍，通常就用这个整数代表原子核的质子数，用Z表示。原子核的电荷数与质子数Z相等。原子核的质量等于核内质子和中子的质量和，而质子和中子的质量几乎相等，所以原子核的质量近似等于核子质量的整数
21、倍，这个整数代表原子核的质量，用A表示，叫做原子核的质量数。例如，氮核的电荷量是2，表示氮核内有两个质子，氮核的质量数是4，表示氮核有4个核子，其中两个是中子。课题一原子的核式结构 衰变三、天然放射现象物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。放射性并不是少数几种元素才有的。研究表明：原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线。原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。元素的这种自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。放射性物质发出的射线有三种：带正电的射线，带负电的射线，不带电的射线。放射源放在铅盒的底部，通过铅盒上方的小孔向外发出射线，整个装置放在匀强磁场中。从
22、照相底片感光的位置可以发现，射线在电场的作用下分成三束。这说明三种射线在电场中的偏转情况（图5-9）。课题一原子的核式结构 衰变四、衰变原子核放出粒子或粒子后就变成新的原子核，这就是原子核的衰变。铀238放出一个粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，成为新的元素钍234。这个过程用衰变方程表示为钍234也具有放射性，它能放射出一个粒子而变为镤234。电子的质量比核子的质量小很多，原子核放出一个电子后，质量数几乎没有变，所以我们认为电子的质量为零，电荷数为-1，这个衰变过程表示为课题一原子的核式结构 衰变五、半衰期放射性同位素衰变的快慢有一定的规律。放射性元素衰变的快慢是由核内部的核子决定的，
23、与原子所处的物理或化学状态无关。一种放射性元素，不管它是单质的形式，还是化合物，或者对它施加压力，或者增高温度，都不能改变它的半衰期，这是因为半衰期发生在原子核内部，压力、温度与其他元素的化合物，都不会影响原子核的结构。课题一原子的核式结构 衰变六、放射性的应用有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。核能的和平利用除了以核动力的形式被广泛应用于现代能源和舰艇船只的动力外，还可利用放射性核本身所发射的各种射线的能量。放射性应用的形式可分成三类：第一，它可以作为新的科学研究工具(即示踪原子)应用于各种学科，其中包括物理学、化学、生物学、医学、地质学和考古学等；第二，放射性同位素所发射的射线和X射线
24、很相似，可以用来作为辐射源去透视各种X射线不能透视的材料内部的特性和缺陷，并可以在大规模生产中，作为自动检查仪器及各种测量仪器等；第三，它可作为核能源应用，如核电池。简单介绍：1在考古学中，利用测定发掘物中碳14放射性核素的含量，来确定它的年代2放射性射线在现代生产、生活中也获得了十分广泛的应用课题一原子的核式结构 衰变七、放射性污染和防护放射性污染的来源有：（1）原子能工业排放的废物，原子能工业中核燃料的提炼、精制和核燃料元件的制造，都会有放射性废弃物产生和废水、废气的排放。（2）核武器试验的沉降物，在进行大气层、地面或地下核试验时，排入大气中的放射性物质与大气中的飘尘相结合，由于重力作用或
25、雨雪的冲刷而沉降于地球表面，这些物质称为放射性沉降物或放射性粉尘。（3）医疗放射性，在医疗检查和诊断过程中，患者身体都要受到一定剂量的放射性照射，例如，进行肺部X光透视。（4）科研放射性，科研工作中广泛地应用放射性物质，除了原子能利用的研究单位外，金属冶炼、自动控制、生物工程、计量等研究部门，几乎都有涉及放射性方面的课题和试验。在这些研究工作中都有可能造成放射性污染。防范措施：在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄；用过的核废料要放在很厚的重金属箱内，并埋藏在深海里。在生活中对那些可能有放射性的物质要有防范的意识，尽可能远离放射源（图5-10所示为放射性物质的国际通用标志）。图图
26、5-10课题二核反应和核能的利用一、核反应1919年，卢瑟福用粒子轰击氮原子核，产生了氧17和一个质子，第一次实现了原子核的人工转变。质子就是这样被发现的。原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。上面的核反应可表示为用粒子轰击原子核，不一定只发射质子，也可能发射中子。查德威克就是通过粒子轰击铍原子核，实现了原子核的人工转变，并发现了中子，其核反应方程为根据爱因斯坦的相对论，物质的能量E和质量m之间的关系是E=mc2这就是著名的爱因斯坦质能方程。课题二核反应和核能的利用一、核反应1919年，卢瑟福用粒子轰击氮原子核，产生了氧17和一个质子，第一次实现了原子核的人工转变。质子就是这
27、样被发现的。原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。上面的核反应可表示为用粒子轰击原子核，不一定只发射质子，也可能发射中子。查德威克就是通过粒子轰击铍原子核，实现了原子核的人工转变，并发现了中子，其核反应方程为根据爱因斯坦的相对论，物质的能量E和质量m之间的关系是E=mc2这就是著名的爱因斯坦质能方程。二、裂变聚变核反应有些可能释放能量，而有些要吸收能量，但是它们能量的变化都是十分巨大的。核物理中把重核分裂成质量较小的核，释放出能量的反应称为裂变；把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变。1铀核的裂变1938年，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀
28、核时，铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反应是裂变为钡和氪，同时释放出3个中子，核反应方程是铀核裂变时总要释放出2至3个中子，这些中子又引起其他的铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的能量。这就是链式反应（图5-11）。二、裂变聚变2轻核聚变在消耗同样质量的核燃料时，聚变比裂变能释放出更多的能量。例如，一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时，释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子释放出的能量大34倍。这个核反应方程是当物质达到几百万摄氏度高温时，剧烈的热运动使得部分原子核的动能足够大，以致能克服库仑斥力，在碰撞
29、时就会发生聚变。聚变反应又叫热核反应，热核反应一旦发生就不再需要外界给它能量，靠自身产生的能量就可以使反应进行下去。二、裂变聚变3核电站核电站利用核能发电，它的核心设施是核反应堆。核反应堆的类型多种多样，图5-12是慢中子反应堆的示意图，这种反应堆中的核反应主要是铀235吸收慢中子后发生的裂变，而天然铀中只有0.7%的是铀235，所以反应堆里用浓缩铀（其中铀235占3%4%）制成的铀棒，作为核燃料。铀235具有易俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点。裂变时产生的中子速度都很大，不容易被铀235俘获而引起裂变，必须设法使它们的速度降下来。为此铀棒周围放上减速剂，快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少
30、，变为慢中子，常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水（有时叫轻水）。为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插入一些控制棒，控制棒由镉做成。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度会慢一些。反之则把控制棒向外拔出一些，计算机自动调节控制棒的升降，就能使反应保持一定的功率，安全地工作。核燃料裂变释放出来的能量大部分转化为热，使反应区温度升高。水或液体的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时也使反应堆冷却，保证安全。知识拓展合成118号超重元素美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室2006年10月16日宣布，实验
31、室科研人员与俄罗斯科学家合作，利用俄方的回旋加速器设备，成功合成了118号超重元素并观察到其存在。劳伦斯利弗莫尔国家实验室与俄罗斯联合原子核研究所科学家通过设在俄罗斯杜布纳的U400回旋加速器实验设备，用高速钙离子轰击处于旋转状态的锎，成功地得到了3个118号超重元素的原子。科学家们观察到了118号超重元素的原子“衰变链”过程，证实了这一新的超重元素的存在。这种超重元素只能持续存在极短的时间，约有0.9ms，之后即迅速衰变为原子量较小的其他元素。在实验过程中，科学家们发现，118号元素衰变产生了116号元素，之后又继续衰变为114号元素。至此，这个美俄科学家小组已经成功地合成过5种新元素。科学家们还将尝试寻找更大原子量的元素，他们计划设计实验用铁同位素轰击钚，制造120号元素。谢 谢！
